高 博，程憲龍，朱婷佳，康家亮

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021；2.中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林長春130021）

隧洞涌水問題是隧洞施工中常見的地質(zhì)災(zāi)害，往往給地下工程帶來嚴重影響，大量的涌水會造成隧洞失穩(wěn)、人員傷亡、地面沉降及環(huán)境惡化等系列惡劣后果。我國水利水電工程隧洞，特別是長輸水隧洞，大部分遇到了不同程度的隧洞涌（突）水問題。據(jù)統(tǒng)計，隧洞涌水問題多發(fā)生在淺埋或者埋深較淺的穿越河谷或山谷等地表為負地形隧洞段。最近幾十年，隨著工程項目開展和對實際涌水量的統(tǒng)計，各種隧洞涌水量預(yù)測方法所計算的結(jié)果也不斷地得到驗證，不同預(yù)測方法之間也得到了相互的比較，常用的計算隧洞涌水量方法在工程的應(yīng)用，不僅指導(dǎo)了實際工程進展，也會對隧洞涌水量的預(yù)測研究做出貢獻。數(shù)值計算法主要包括有限單元法、有限差分法、離散單元法、邊界元法和有限體積法等，這類方法適用于復(fù)雜水文地質(zhì)條件下隧洞涌水量問題的計算；物理模擬法主要包括水電模擬、室內(nèi)物理模型實驗和現(xiàn)場示蹤試驗等，這類方法可以直觀顯現(xiàn)出隧洞涌水過程。

當隧洞穿越潛水含水層，一般根據(jù)水利工程手冊和水利行業(yè)規(guī)范，采用地下水動力學(xué)法對隧洞可能最大涌水量及穩(wěn)定涌水量進行計算。其中計算隧洞最大涌水量的方法包括古德曼經(jīng)驗式、佐藤邦明非穩(wěn)定流式、大島洋志法；計算隧洞穩(wěn)定涌水量的方法包括落合敏郎法、裘布衣理論式、柯斯嘉科夫法、佐藤邦明經(jīng)驗式等。

1 隧洞涌水量預(yù)測方法

鑒于隧洞涌水問題的重要性，國內(nèi)外學(xué)者研究提出大量的涌水量計算方法，目前，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的涌水量預(yù)測計算方法分為4類：經(jīng)驗公式法、解析公式法、數(shù)值計算法和物理模擬法。經(jīng)驗公式法包括大島洋志公式、佐藤邦明公式與鐵路勘測規(guī)范經(jīng)驗公式等，這類方法多來源于工程實踐的總結(jié)，對于相似地質(zhì)條件下涌水問題計算有著不錯的預(yù)測精度；解析公式法分為鏡像法、豎井法、保角變換法以及其他方法，這類方法具有嚴密的理論推導(dǎo)過程，計算過程簡潔，便于工程應(yīng)用；

2 涌水量計算

2.1 工程概況

“引綽濟遼”跨流域調(diào)水工程項目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部的興安盟與通遼市境內(nèi)。調(diào)水工程北起興安盟扎賚特旗文得根水利樞紐工程，供水至西遼河流域通遼市的莫力廟水庫，輸水線路全長390.263km，設(shè)計最大年調(diào)水量為4.88×108m3。2-4施工支洞為輸水工程2號隧洞的1條施工支洞，長度為1.260km，為城門洞型，寬約7m。

隧洞交叉段位于胡爾勒河支流河谷底部，埋深38～70m。覆蓋層厚度一般為10～30m，基巖為燕山期花崗巖，灰白色，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)較堅硬。全風(fēng)化厚度為5～15m，強風(fēng)化厚度一般大于5m，洞頂以上弱風(fēng)化巖體厚20～30m。受構(gòu)造影響，斷層附近巖石存在差異風(fēng)化，破碎帶巖體多呈強風(fēng)化狀態(tài)。

該段出露2條斷層，f10-3，N40°E/SE∠40°，寬20～40cm，主要由巖屑、斷層泥組成；f10-4，N15°W/SW∠70°，寬5～20cm，主要由巖屑、斷層泥、鐵銹組成。

主要發(fā)育以下4組節(jié)理：①N30°E/SE∠20°，間距一般為0.2～0.8m，貫穿，節(jié)理面平直粗糙，微張，充填巖屑、泥，面銹蝕嚴重；②N10°E/NW∠85°，間距一般為0.4～1.0m，貫穿，節(jié)理面平直粗糙，微張，充填巖屑、泥，銹蝕嚴重；③N30°W/SW∠55°，間距一般為0.2～0.8m，延伸長度一般為0.5～1.5m，節(jié)理面平直粗糙，微張，充填巖屑、泥，銹蝕嚴重；④N65°E/NW∠65°，節(jié)理間距一般為0.2～0.8m，延伸長度一般為0.5～1.5m，節(jié)理面平直粗糙，微張，充填巖屑、泥，銹蝕嚴重。

地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水和基巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水。潛水主要賦存于河谷內(nèi)級配不良礫中，埋深1～3m，均受大氣降水補給，向河流排泄，隧洞一般位于地下水位以下約40m。

2.2 隧洞涌水量分析

隧洞涌水量的變化，在相當程度上取決于隧洞通過地區(qū)的地形地貌條件。如隧洞穿過盆地、寬谷等大面積匯水地形，一般會出現(xiàn)較大涌水。隧洞中涌（突）水、漏水、滲水等現(xiàn)象多發(fā)生在孔隙度大、裂隙率高的巖土體地段和巖溶化地帶?？扇軒r的巖溶化地帶易發(fā)生涌水、突水，沉積巖區(qū)一般易發(fā)生承壓水頭的涌水和滲水，火成巖區(qū)一般為滲水，埋深較淺的易風(fēng)化火成巖，易成為富水地層，有時候也會發(fā)生涌水。

隧洞遇水的幾率按斷層、向斜、背斜、單斜的順序排列。斷層破碎帶及其影響范圍的裂隙密集帶、向斜構(gòu)造的軸部與背斜構(gòu)造的兩翼是地下水的富集地帶。臨近深大斷裂帶和靠近構(gòu)造運動活躍地區(qū)的隧洞，受構(gòu)造影響的節(jié)理密集帶或延伸長的大節(jié)理等，常常是地下水富集帶或地下水運移通道，涌水、突水等現(xiàn)象比較嚴重。

2-4施工支洞穿越胡爾勒河支流河谷，河谷溪流常年流水，枯水期流量為0.5～2.0m3/s。雖然流量不大，但河谷覆蓋層厚，儲水量豐富，隧洞開挖至該段，發(fā)生涌水后補給源源不斷，很難通過長期排水減少涌水量。巖性為花崗巖，全強風(fēng)化厚度較大，節(jié)理較發(fā)育，受構(gòu)造影響，節(jié)理延伸較長，涌水點主要為沿節(jié)理涌水。2次量測涌水量變化不大，判斷該段涌水為受地表水補給，水量減小的可能性不大。

2.3 巖體滲透系數(shù)選取

巖體滲透系數(shù)一般是根據(jù)壓水試驗資料取得，取隧洞底板以上5段壓水試驗值。該段壓水試驗資料較少，陡傾角節(jié)理發(fā)育，試驗取得巖體透水率偏小。但實際開挖時，洞內(nèi)呈淋雨狀，局部沿節(jié)理集中涌水，說明試驗數(shù)據(jù)不具有代表性。

根據(jù)工程經(jīng)驗，并結(jié)合洞內(nèi)實際情況，透水性應(yīng)為中等透水偏大，涌水部位為強透水。此次將巖體各向異性的滲透系數(shù)進行平均化處理，滲透系數(shù)選取中等透水巖體的較大值，建議此段采取0.864～8.640m/d。

2.4 涌水量預(yù)測

2.4.1 最大涌水量預(yù)測

1）古德曼法

據(jù)SL629-2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄E：

式中：Q——洞身通過長度為L的含水體地段的最大涌水量，m3/d；L——通過含水體的隧洞長度，m；K——含水體的滲透系數(shù)，m/d；H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離，m；d——洞身橫斷面的等效圓直徑，m。

適用條件：隧洞通過潛水含水體時的最大涌水量預(yù)測。

2）大島洋志法

據(jù)《水利發(fā)電工程地質(zhì)手冊》：

式中：q——洞身通過含水體單位長度最大涌水量，m3/（d·m）；r0——洞身橫斷面的等效圓半徑，m；m——轉(zhuǎn)化系數(shù)，一般取0.86。

適用條件：潛水、第四系松散層孔隙潛水、基巖裂隙水的初期最大涌水量預(yù)測。

3）中國經(jīng)驗法

據(jù)TB10049-2004《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》條文說明：

適用條件：預(yù)測隧洞最大涌水量。

以上3種預(yù)測方法計算結(jié)果見表1，H=40 m，d=7.6m，L=10m。

表1 隧洞最大涌水量預(yù)測計算成果表

通過按巖體平均滲透系數(shù)計算，古德曼法和中國經(jīng)驗法計算的涌水量值稍大，大島洋志法較小。實際量測涌水量在3種預(yù)測方法計算范圍之內(nèi)，說明滲透系數(shù)的取值在合理區(qū)間。

2.4.2 正常涌水量

當隧洞通過潛水含水體時，可采用裘布依理論公式：

式中：Qs——洞身通過長度為L的含水體的正常涌水量m3/d；H′——洞底以上潛水含水體厚度，m；h——洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深，m；Ry——隧洞涌水地段的引用補給半徑，m。

洞內(nèi)排水溝假設(shè)水深取0.1m，Ry一般采用庫金公式進行估算，規(guī)范規(guī)定，降深S≈H′-h。

項目為穿河谷段，隧洞位于基巖中，且地下水豐富，補給源為地表明流，很難有地下水位降深，隧洞涌水地段的Ry應(yīng)該為較小的數(shù)值。假定水位降深1m，滲透系數(shù)采取0.864～8.640m/d，計算出正常涌水量預(yù)測值為1700～4000m3/（d·10m）。

2.4.3 涌水量實測值

2019年9月9日，2-4施工支洞樁號0+952～0+964段涌水量采用相對高程控制法進行了量測，根據(jù)結(jié)果計算該段涌水量為585.83L/（min·10m）；2019年10月8日，樁號0+963附近涌水量并未衰減，再次現(xiàn)場實測，該段涌水量為577.5L/（min·10m）；2019年11月7日，樁號1+017～1+042涌水量采用相對高程控制法進行了測量，實測結(jié)果為584.4L/（min·10m）。3次實測值的平均值為582.6L/（min·10m），折算為839m3/（d·10m）。

3 結(jié)論

1）雖然涌水量的計算只是經(jīng)驗公式，有時候存在較大偏差，但作為工程前期勘察，仍然需要進行預(yù)測。為施工安全防護，一般建議采用最大涌水量，而隧洞施工排水和環(huán)境保護處理水量，建議采用正常涌水量。

2）不同隧洞涌水量的預(yù)測方法有不同的適用條件，應(yīng)用時，必須按水文地質(zhì)條件選擇合適的預(yù)測方法。建議采用不同的預(yù)測方法進行對比，分析不同預(yù)測方法計算結(jié)果的差別和原因，最終給出涌水量的建議值。

3）隧洞涌水量的預(yù)測，難點就是水文地質(zhì)參數(shù)和計算邊界條件的確定，應(yīng)綜合考慮勘察期工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，以及該地區(qū)的多年平均降水量、降雨入滲情況等，選取相對合理的地質(zhì)參數(shù)進行計算。

4）工程隧洞涌水量預(yù)測，在分析實際開挖揭露的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，對圍巖滲透系數(shù)進行均勻化處理，對比計算結(jié)果和實際涌水量，可以判斷圍巖的滲透系數(shù)的合理取值，為以后隧洞涌水量預(yù)測時，如何對巖體滲透系數(shù)進行取值提供借鑒。